CN102937646A - 一种用于混凝土结构的健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于混凝土结构的健康监测系统，系统包括：传感器子系统、数据采集子系统、通讯系统以及监控中心。传感器子系统包含压电智能骨料等传感器，压电智能骨料用于对混凝结构的裂缝进行监测，压电力传感器用于采集结构的冲击荷载，加速度传感器获取结构振动信息；数据采集子系统主要由数据采集卡和压电陶瓷驱动电源、电荷放大器等附属设备构成；通信子系统则采用有线方式，以太网建立TCP/IP协议的形式与上位机进行通信；监控中心主要包括主动监测模块、被动监测模块以及加速度监测模块等软件功能模块。本发明操作简单、人机交互性强，后期也可根据实际需要进行扩展，非常适用于实际工程中对混凝土结构的健康监测。

Description

一种用于混凝土结构的健康监测系统

技术领域

本发明涉及土木工程结构监测技术领域，具体涉及一种用于混凝土结构的结构健康监测系统。

背景技术

当前，我国处于大规模的基础设施建设时期，混凝土结构作为一种应用最普遍的结构形式，被广泛地应用于各类工程结构的建设。在其漫长的服役过程中，不可避免地发生材料老化及损伤，从而降低结构的可靠性，因此结构可靠问题一直受到广泛的关注。结构健康监测作为一种能够通过获取结构的相关信息，及时发现结构的损伤，进而向用户做出安全预警的技术，是近年来土木工程领域的研究热点之一。

然而，传统的混凝土结构无损检测手段（如超声脉冲法、回弹法等），通过直接测量结构的相关物理量，虽然可以快速地实现对结构局部损伤的检测，但是作为局部的离线式检测方法，存在信息的滞后性，无法实现真正的实时在线的“结构损伤诊断和健康监测”。

伴随着基于现代智能结构的思想发展起来的结构健康监测技术，它集成了传感技术、计算机技术、信息处理与损伤识别技术、模式识别等多学科知识，为实现传统的离线、静态、被动的损伤检测向实时、在线、动态的监测与控制转变提供了可能。其中，在混凝土结构的健康监测领域，基于压电陶瓷智能材料的健康监测技术由于在混凝土监测方面的众多优势，其研究已经取得了丰硕的阶段性成果。如利用压电陶瓷的正逆压电效应发射检测信号对结构的健康状态进行主被动监测；利用响应速度快、线性关系好等特点制作成具有高灵敏度的动态力传感器、加速度传感器等。

但遗憾的是由于缺少相应配套监测平台的开发，使得此项技术还未实现工程实用化。只是停留在理论仿真和实验室试验研究阶段。特别是在压电监测系统的硬件集成性的研究、开发针对压电问题的通用型分析软件以及相应平台的健壮性、可靠性等方面有待解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于混凝土结构的便携式结构健康监测系统，该系统通过压电系列传感器可以实现对混凝土结构的裂缝、冲击荷载以及加速度等多物理量进行监测，同时通过系统的软件平台实现对结构健康状态的评估和安全预警等功能。

本发明的技术方案是：一种用于混凝土结构的健康监测系统，该系统包括：传感器子系统、数据采集子系统、通讯系统以及监控中心；

所述的传感器子系统包含压电智能骨料、压电力传感器以及内装IC的压电式加速度传感器；

所述数据采集子系统主要有数据采集平台和附属设备构成；

所述通信子系统则采用有线方式；

所述监控中心则有软硬件构成，软件部分主要包括主动监测模块、被动监测模块以及加速度监测模块等功能模块。硬件则有电脑、备用电源构成；其特征在于：

所述健康监测系统的工作流程为：传感器子系统通过传感器感知待测结构的相关物理量，然后将各类传感器信号通过数据采集子系统控制数据采集平台实现采集以及信号的初步处理，再通过通信系统将数据上传到监控中心，在监控中心则完成的进一步处理，如滤波、损伤识别、安全预警以及数据存储功能。

压电智能骨料压电智能骨料用于对混凝结构的裂缝进行监测，压电力传感器用于采集结构的冲击荷载，加速度传感器获取结构振动信息。

传感器子系统中的压电智能骨料传感器的布置方式是将压电智能骨料以列阵的形式构成传感-驱动扫描通道，布置于建筑的结构单元中。

数据采集平台包括CompactRIO 9074嵌入式平台和NI 9263、NI 9221和NI 9234等数据采集卡；附属设备有压电陶瓷驱动电源、电荷放大器等构成。

压电陶瓷驱动电源输入端与NI 9263输出端相连，压电陶瓷驱动电源输出端与压电智能骨料相连接；电荷放大器的输入端与压电力传感相连，其输出端与NI 9234相连。

其包含的主动监测模块、被动监测模块以及加速度监测模块等功能模块，可实现混凝土裂缝损伤的在线监测、冲击荷载监测以及结构振动信息采集等。

主动监测模块包括监测信号的发射与采集、信号的在线处理与分析、损伤识别以及安全预警、数据的存储等功能。发射的信号可有100Hz-10kHz的扫频波和正弦波两种，发射方式有连续式和间断式；信号的在线处理与分析包括信号的滤波消噪、时域和频域分析等；损伤识别方法采用信号幅值的能量值作为损伤指数；安全预警可实现声光预警；数据存储采用常用的EXCEL表格形式。

传感器子系统是健康监测系统最基础的子系统，该部分用于对应力，应变，温度，位移等多物理量进行感知，并以光、电、声等物理形式输出，传递给数据采集子系统。数据采集子系统则是控制采集传感系统的各种数据并对信号进行初步处理（如信号调理，数模转换（A/D）等），一般安装于待测结构附近。通信子系统是将采集并处理过的数据通过打包或数据流等形式传输到监控中心。一般分为有线和无线两种通信方式。监控中心是健康监测系统的核心，布置位置也往往选择比较安全的室内。它往往包含着损伤识别子系统、安全预警子系统、数据库管理子系统等。主要功能是对获取的所有结构进行全面分析，利用损伤识别系统对结构的损伤进行定位和程度判定，并最终对结构的健康状态做出安全评估，如若发现异常，及时发出声光电等报警信息。同时也担任着大量监测信息和分析结果等所有数据的存储、查询等管理任务。

所述的传感器子系统包含压电智能骨料、压电力传感器以及内装IC的压电式加速度传感器。压电智能骨料用于对混凝结构的裂缝进行监测，主要采用列阵的形式布置于混凝土结构内部，既可作为传感器接收信号，也可兼做驱动器发射信号，使用方式采用“一发一收”或“一发多收”等形式；压电力传感器用于采集结构的冲击荷载，一般布置于结构内部；加速度传感器附于结构外部，用于获取结构振动信息。

所述数据采集子系统主要有数据采集平台和附属设备构成。

所述数据采集平台包括美国国家仪器公司生产的CompactRIO 9074嵌入式平台以及NI 9263、NI 9221和NI 9234等数据采集卡。其中NI 9263用于压电智能骨料监测信号的发射；NI 9221用于采集压电智能骨料接收到的信号；NI 9234则用于对压电力传感器和加速度信号的采集与转化。

所述附属设备包括压电陶瓷驱动电源和电荷放大器。压电陶瓷驱动电源布置于NI 9263板卡的输出端，信号经NI 9263输出，通过压电陶瓷驱动电源放大后传递给压电智能骨料驱动器；电荷放大器布置于压电力传感器的输出端，采集到的电荷信号经压电力传感器输入到电荷放电器内转化为电压信号，输入到NI 9234板卡内。

所述通信子系统则采用有线方式，通过以太网建立TCP/IP协议的形式与上位机进行通信。

所述监控中心则有软硬件构成，软件部分主要包括主动监测模块、被动监测模块以及加速度监测模块等功能模块。硬件则有电脑、备用电源等构成。

所述软件部分中的主动监测模块主要包括信号的发射与采集、信号处理分析、损伤识别、状态评估与安全预警和数据存储等功能。用于控制NI 9263、NI 9221板卡，可实现对混凝土结构裂缝的监测。

所述被动监测模块和加速度监测模块则控制NI 9234，用于对动态荷载和振动信息的采集、处理和安全预警。

所述的电脑主要作为系统软件运行的搭载平台以及数据存储管理，考虑野外工作，往往选用便携式笔记本。备用电源可选用常规的UPS电源即可满足需要。

本发明的优点是：

（1）本发明将多种压电陶瓷混凝土结构健康监测技术进行了集成化处理，可完成对混凝土裂缝、动态荷载以及加速度的同步监测，实现了压电陶瓷混凝土结构健康监测技术从实验室研究到工程应用的转化。

（2）本发明采用嵌入式平台作为数据采集平台，相对于传统的试验室监测设备在系统的硬件集成性、可靠性、便携性等方面有了很大的改进。同时系统的硬件由于具有可重构性，对于后期的系统改进和二次开发有很强的优势。

（3）本发明采用图形化的编程软件作为开发工具，大大缩短了开始时间和成本，适合于非专业编程的工程人员使用，同时良好地人机交互界面也便于一般工程人员的操作。

附图说明

图1是本发明的拓扑结构示意图；

图2是本发明的软件系统功能图；

图3是本发明的主动监测模块工作原理图；

图4是本发明的主动监测模块设计流程图，其中（a）为信号的在线处理与分析部分的设计流程图，（b）为损伤识别与安全预警部分的设计流程图；

图5是本发明的主动监测模块中压电智能骨料传感器的在结构中的布置方式；

图6是本发明的主动监测模块进行混凝土结构裂缝监测的损伤识别结果；

图7是本发明的被动监测模块工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施做进一步说明。

本发明如图1所示，一种用于混凝土结构的健康监测系统主要构成由：传感器子系统、数据采集子系统、通讯系统以及监控中心构成。

传感器子系统主要有压电智能骨料、压电力传感器以及压电加速度传感器构成。其中，压电智能骨料用于对混凝土结构的裂缝进行监测，压电力传感器则用于采集结构的冲击荷载，压电加速度传感器用于感知结构的振动信息。

数据采集系统数据采集平台和附属设备构成。数据采集平台为美国美国国家仪器公司生产的CompactRIO 9074嵌入式平台以及NI 9263、NI 9221和NI 9234等数据采集卡。其中，CompactRIO 9074嵌入式平台作为数据采集板卡的搭载平台，NI 9263板卡用于发射监测信号，NI 9221板卡用于采集压电智能骨料接收到信号，NI 9234板卡则用于采集压电力传感器和加速度传感器采集到的冲击荷载和振动信息。附属设备中的压电陶瓷驱动电源用于对NI 9263板卡输出的信号进行放大，布置于CRIO采集终端与压电智能骨料驱动器之间。电荷放大器用于将压电力传感器采集到电荷信号转化为电压信号输入到NI 9234，故其布置位置为NI 9234板卡与压电力传感器之间。加速度传感器则需直接连接到NI 9234板卡上。

通信系统主要是指数据采集平台与上位机控制终端之间的连接与数据传输。本发明中采用以太网建立TCP/IP协议的形式进行通信，首先CRIO采集终端将数据上传，上位机程序做出响应，当连接正常，方可进行数据传输。它的特点是在提供良好工作的性能的基础上，同时具有可靠性（不丢失数据）的优势。

监控中心作为健康监测系统的核心，承担着系统的主要数据处理与分析功能。本发明的监控中心的软件系统的主控界面主要有主动监测模块、被动监测模块以及加速度监测模块三个模块构成，其功能可完成对数据的实时在线处理、分析以及存储，同时对结构的健康状态做出评估与安全预警等。

如图2所示，系统软件部分的主控界面各模块功能如下：

（1）主动监测模块

本发明中该模块的用途是基于压电波动法的主动监测技术实现对混凝结构裂缝的在线监测与安全预警，工作原理如图3所示。软件功能包括监测信号的发射与采集、信号的在线处理与分析、损伤识别以及安全预警，并完成数据的存储。

信号的发射与采集包括信号的发射与采集两部分，本发明中发射的信号可有100Hz-10kHz的扫频波和正弦波两种，信号的发射方式有连续式和间断式。该部分需要一般在监测开始前设置完成，也可在监测过程中调整。

信号的在线处理与分析主要包括对采集到的原始信号进行滤波消噪处理，根据实际需要进行时域、频域或时频分析，并将处理完的数据传递给损伤识别模块和文件管理模块。其设计流程图见图4（a），首先需要对采集的信号通过数据采集系统转化为电压信号输出，初步判断信号是否正常，若正常则根据需要对信号进行滤波消噪处理，若不正常则重新采集，之后对处理后的信号进行时域或频域分析获取有效地信息。

损伤识别与安全预警部分以信号能量作为表征结构损伤的特征指数，简称能量值，进而提高对损伤表征的灵敏度。

所谓能量值，即将信号幅值的离散化后对其绝对值的平方进行积分。设                                               

为某一时刻的能量值，则有

（1）

如果以取

为健康状态时的能量值，那么结构的相对健康程度可以表示为   

（2）

通过此式不难看出，当结构处于健康状态时，H _i =1；当结构完全失效时，H _i =0. 而实际健康监测中，常常当结构严重损伤时损伤指数越大，故采用DI值作为损伤指数

（3）

损伤识别与安全预警部分的设计流程如图4（b）所示。首先，将通过数据处理与分析模块的信号幅值进行离散化，之后通过算法计算能量损伤指数，再将所得能量值与相关阈值比较，当超越一定阈值时，程序的自动实现相应级别的声、光预警。其中，声音报警可根据不同的损伤状态进行语音提示，指示灯预警也会显示不同的颜色，本系统共提供四种状态预警，一级为绿色，健康状态；二级为蓝色，轻微损伤状态；三级为黄色，中度损伤状态；四级为红色，严重损伤状态。

文件管理模块作为系统的核心，直接管理着结构的几何信息、监测信息和分析结果等。本系统考虑到长期监测数据量较大的问题，则直接利用计算机作为文件管理模块的资源中心。将数据直接存储在计算机中，后期可根据用户的需要对各种信息进行调用查询，并可对信号进行再处理。也可作为相似工程的经验参数。为了便于数据的读取，本系统将数据主要存储为常用的EXCEL表格形式。

本发明中主动监测模块的具体实施方式为：

第一步：需要进行传感器的布设，根据实际建筑结构的结构形式，往往采用列阵的形式构成传感-驱动扫描通道，布置于结构中的梁柱单元中，从而实现对区间混凝土结构裂缝的有效监测。其传感器的布设方式可参考如图5所示。

第二步：进行硬件的配置，主动监测模块所包含的硬件为NI 9263和NI 9221。NI 9263作为信号的发射板卡，故需要将其输出端与压电陶瓷驱动电源的输入端进行连接，随后将压电陶瓷驱动电源的输出端与压电智能骨料（驱动器）相连。NI 9221作为信号的输入板卡，需要将压电智能骨料（传感器）与其相连。检查设备连接正常后方可进行下一步。

第三步：启动软件程序，检查软硬件是否连接正常，若正常，则进行各项参数的初始设置，随后即可运行软件程序。

图6为本发明的一个实施实例的损伤识别结果，对一个混凝土梁单元进行了实时在线的裂缝损伤监测，其传感器布置方式见图3所示。一端压电智能骨料作为驱动器发射信号，另一端压电智能骨料作为传感器接收信号，从而构成激励-传感通道，对构件进行扫描。随着混凝土构件裂缝损伤程度的增加，监测信号的损伤指标将越来越大，表示裂缝损伤越来越严重，与试验现场相符合，从而实现对裂缝损伤程度的长期监测。

（2）被动监测模块

本发明中的被动监测模块的软件功能主要有信号采集、滤波处理、相关数据分析（如频谱分析等）、数据存储等主要功能。由于压电陶瓷的高阻抗特性和高灵敏度，可以制作成压电力传感器用于测量结构的动态力。被动监测技术的一大优势是无需激励信号，节省能源，而且使用设备较少。

压电陶瓷片（PZT）可以看成一个电容，当PZT片受到力的作用时，其上下表面则会产生电荷。根据纵向压电效应原理，压电陶瓷片产生的电荷量多少与所受力成正比，故可建立力与电荷的关系式，如下式：

在实际工程中，数据采集系统的NI 9234板卡采集的是电压信号，需要将压电力传感器输出的电荷信号经电荷放大器转化为电压信号，再通过数据采集系统建立电压变化量与压力变化量的关系，可实现对压力的采集。其工作原理图如7所示。

本发明被动监测模块的具体实施为：

第一步：根据实际工程中监测点的需要在结构的相应部位布设压电力传感器。

第二步：将压电力传感器的输出端与电荷放大器的输入端建立连接，然后将电荷放大器的输入端与NI 9234板卡的输入端相连。

第三步：启动软件程序，检查软硬件是否连接正常，若正常，则进行各项参数的初始设置，随后即可运行软件程序。

（3）加速度监测模块

本发明中的加速度监测模块主要是利用加速度传感器获取建筑结构在风、地震等荷载作用下的动态响应信号，为研究结构抗震、减振以及结构健康监测提供技术支持。主要构成包括加速度传感器、数据采集平台（CompactRIO嵌入式平台和NI 9234模块）、上位机软件控制模块。

该模块的软件功能模块可以实现四通道数据实时采集、滤波处理、频谱分析、数据存储等功能，并且可进行峰值监测。当加速度超过一定阈值时，实现声光预警。在后期也可根据用户需要对其功能进行添加和修改。

本发明中的加速度监测模块的具体实施方法与被动监测模块相近，除第二步不需要配置电荷放大器，直接将传感器的输出端与NI 9234板卡相连即可。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想的前提下，本发明还可以在后期根据实际的工程需要进行模块化的扩展性配置和软件功能的改进，均落在本发明的权利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于混凝土结构的健康监测系统，该系统包括：传感器子系统、数据采集子系统、通讯系统以及监控中心；

所述的传感器子系统包含压电智能骨料、压电力传感器以及内装IC的压电式加速度传感器；

所述数据采集子系统主要有数据采集平台和附属设备构成；

所述通信子系统则采用有线方式；

所述监控中心则有软硬件构成，软件部分主要包括主动监测模块、被动监测模块以及加速度监测模块等功能模块；硬件则有电脑、备用电源构成；其特征在于：

所述健康监测系统的工作流程为：传感器子系统通过传感器感知待测结构的相关物理量，然后将各类传感器信号通过数据采集子系统控制数据采集平台实现采集以及信号的初步处理，再通过通信系统将数据上传到监控中心，在监控中心则完成的进一步处理，如滤波、损伤识别、安全预警以及数据存储功能。

2.根据权利要求1所述的一种用于混凝土结构的健康监测系统，其特征在于：压电智能骨料压电智能骨料用于对混凝结构的裂缝进行监测，压电力传感器用于采集结构的冲击荷载，加速度传感器获取结构振动信息。

3.根据权利要求1所述的一种用于混凝土结构的健康监测系统，其特征在于：传感器子系统中的压电智能骨料传感器的布置方式是将压电智能骨料以列阵的形式构成传感-驱动扫描通道，布置于建筑的结构单元中。

4.根据权利要求1所述的一种用于混凝土结构的健康监测系统，其特征在于：数据采集平台包括CompactRIO 9074嵌入式平台和NI 9263、NI 9221和NI 9234等数据采集卡；附属设备有压电陶瓷驱动电源、电荷放大器等构成。

5.根据权利要求1所述的一种用于混凝土结构的健康监测系统，其特征在于：压电陶瓷驱动电源输入端与NI 9263输出端相连，压电陶瓷驱动电源输出端与压电智能骨料相连接；电荷放大器的输入端与压电力传感相连，其输出端与NI 9234相连。

6.根据权利要求1所述的一种用于混凝土结构的健康监测系统，其特征在于：其包含的主动监测模块、被动监测模块以及加速度监测模块等功能模块，可实现混凝土裂缝损伤的在线监测、冲击荷载监测以及结构振动信息采集等。

7.根据权利要求1所述的一种用于混凝土结构的健康监测系统，其特征在于：主动监测模块包括监测信号的发射与采集、信号的在线处理与分析、损伤识别以及安全预警、数据的存储等功能；发射的信号可有100Hz-10kHz的扫频波和正弦波两种，发射方式有连续式和间断式；信号的在线处理与分析包括信号的滤波消噪、时域和频域分析等；损伤识别方法采用信号幅值的能量值作为损伤指数；安全预警可实现声光预警；数据存储采用常用的EXCEL表格形式。

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